【操作系统复习】第6章 虚拟存储器 2

请求分页中的内存分配

在为进程分配物理块时，要解决下列的三个问题：

1. 保证进程可正常运行所需要的最少物理块数

2. 每个进程的物理块数，是固定值还是可变值（分配策略）

3. 不同进程所分配的物理块数，是采用平均分配算法还是根据进程的大小按照比例予以分配（分配算法）

一、最小物理块数的确定

1. 最小物理块数只保证进程正常运行所需的最小物理块数。

2. 进程应获得的最小物理块数与计算机的硬件机构有关，取决于指令的格式、功能和寻址方式。

二、内存分配策略

在请求分页中，可采取两种分配策略，即固定和可变分配策略。在进行置换时，也可采取两种策略，即全局置换和局部置换（置换范围不同）。于是组合出三种适用的策略：

1、固定分配局部置换

⚫ 思路

– 分配固定数目的内存空间，在整个运行期间都不改变

⚫ 策略

– 如果缺页，则先从该进程在内存的页面中选中一页，进行换出操作，然后再调入一页

⚫ 特点

– 为每个进程分配多少页是合适的值难以确定

2、可变分配全局置换

⚫ 思路

– 每个进程预先分配一定数目的物理块，同时OS也保持

一个空闲物理块队列

⚫ 策略

– 当缺页时，首先将对OS所占有的空闲块进行分配，从而增加了各进程的物理块数。当OS的空闲块全部用完，将引起换出操作

3、可变分配局部置换

⚫ 思路

– 系统根据缺页率动态调整各进程占有的物理块数目，使其保持在一个比较低的缺页率状态下

⚫ 特点

– 使大部分进程可以达到比较近似的性能

三、物理块分配算法

在采用固定分配策略时，可使用下列方法来分配：

1. 平均分配算法：将系统中所有可供分配的物理块，平均分配给各个进程。

2. 按比例分配算法：按照进程的大小比例分配物理块。

3. 考虑优先权的分配算法：为了对于紧迫的作业，能够尽快完成。可以将内存的物理块分成两部分，一部分按照比例分配给各进程，另一部分根据进程优先级，适当增加其相应的份额，分配给各进程。

页面调入策略

何时调入页面

➢ 预调页策略：预先调入一些页面到内存

➢ 请求调页策略：发现需要访问的页面不在内存时，调入内存

从何处调入页面

➢ 如系统拥有足够的对换区空间，全部从对换区调入所需页面

➢ 如系统缺少足够的对换区空间，凡是不会被修改的文件，都直接从文件区调入；当换出这些页面时，由于未被修改而不必再将它们重写磁盘，以后再调入时，仍从文件区直接调入

➢ UNIX方式：未运行过的页面，从文件区调入；曾经运行过但又被换出的页面，从对换区调入。

① 进程需要的页面不在内存，引起缺页中断

② 中断处理程序保留现场环境，转入缺页中断处理程序

③ 中断处理程序查找页表，得到对应的外存物理块号。如果内存有空闲，则启动磁盘操作，将所缺的页面读入，并修改页表。否则，到4。

④ 执行置换算法，选出要换出的页面，如果该页修改过，应将其写入磁盘，然后将所缺页调入内存，修改相应表项，将其存在位置为‘1’，并放入快表。

⑤ 利用修改后的页表，形成物理地址，访问内存数据。

缺页率

访问页面成功(在内存)的次数为S

访问页面失败(不在内存)的次数为F

总访问次数为A=S+F

缺页率为 f= F/A

影响因素：页面大小、分配内存块的数目、页面置换算法、程序固有属性

缺页中断处理的时间

请求分页存储管理方式

⚫ 优点：

– 可提供多个大容量的虚拟存储器：作业的地址空间不再受主存大小的限制

– 主存利用率大大提高：作业中不常用的页不会长期驻留在主存，当前运行用不到的信息也不必调入主存

– 能实现多道作业同时运行

– 方便用户：大作业也无须考虑覆盖问题

⚫ 缺点：

– 缺页中断处理增加系统开销

– 页面的调入调出增加I/O系统的负担

– 此外页表等占用空间且需要管理，存在页内零头

页面置换算法

⚫ 功能：

⚫ 需要调入页面时，选择内存中哪个物理页面被置换。

⚫ 目标：

⚫ 把未来不再使用的或短期内较少使用的页面调出，通常只能在局部性原理指导下依据过去的统计数据进行预测。

⚫ 抖动：

⚫ 不适当的算法会导致进程发生“抖动”，即刚换出的页很快就要被访问，又需重新调入

几种页面置换算法:

⚫ 最佳置换算法(OPT, optimal)*

⚫ 先进先出算法(FIFO)*

⚫ 最近最久未使用算法(LRU, Least Recently Used)*

⚫ 轮转算法(clock)

⚫ 最不常用置换算法(LFU, Least Frequently Used)*

⚫ 页面缓冲算法(page buffering)

⚫ 最佳置换算法(OPT, optimal)

1. 最佳置换算法所选择的被淘汰页面，将是以后永不使用的， 或许是在最长(未来)时间内不再被访问的页面。采用最佳置换算法，通常可保证获得最低的缺页率。

2. 这是一种理想情况，是实际执行中无法预知的，因而不能实现。可用作性能评价的依据

⚫ 先进先出算法(FIFO)

1. 选择装入最早的页面被置换。可以通过链表来表示各页的建立时间先后。

2. 性能较差。较早调入的页往往是经常被访问的页，这些页在FIFO算法下被反复调入和调出。

3. 并且有抖动现象。

⚫ 最近最久未使用算法(LRU, Least Recently Used)

1. 选择内存中最久未使用的页面被置换

2. 这是局部性原理的合理近似，性能接近最佳算法。(“最近的过去”对“最近的将来”的近似)

3. 但由于需要记录页面使用时间的先后关系，硬件开销太大

⚫ 轮转算法(clock)

1、简单的Clock置换算法

也称最近未使用算法(NRU, Not Recently Used)，它是LRU(最近最久未使用算法)和FIFO的折衷。

–内存中所有页面通过链接指针形成一个循环队列

–每页有一个使用访问位(use bit)，若该页被访问则置use bit=1。

–置换时采用一个指针，从当前指针位置开始按地址先后检查各页，寻找use bit=0的页面作为被置换页。

–指针经过的user bit=1的页都修改user bit=0，最后指针停留在被置换页的下一个页。

2、改进型Clock置换算法

⚫ 由于Clock算法不考虑换出页面时，页面是否修改过的问

题。这样在换出的页面如果被修改过的话，则必须做拷回

磁盘处理，开销比较大。于是，改进型的Clock算法为每

个页又增加了一个修改位。

⚫ 选择页面时，尽量选择既未使用又没有修改的页面。

⚫ 最不常用置换算法(LFU, Least Frequently Used)

⚫ 目的

–选择到当前时间为止被访问次数最少的页面被置换；

⚫ 实现方法1

–每个页面设立移位寄存器：被访问时左边最高位置1，定期右移并且最高位补0，这样，在最近一段时间内时用最少的页面将是ΣRi最小的页。

⚫ 实现方法2

–每页设置访问计数器，每当页面被访问时，该页面的访问计数器加1；发生缺页中断时，淘汰计数值最小的页面，并将所有计数清零。

⚫ 页面缓冲算法(page buffering)

页面缓冲算法 PBA

⚫ 内存分配采用可变分配和局部置换，置换算法为FIFO。

⚫ 它是对FIFO算法的发展，通过被置换页面的缓冲，有机会找回刚被置换的页面；

⚫ 被置换页面的选择和处理：由操作系统中专门的页面置换进程，用FIFO算法选择被置换页，把被置换的页面放入两个链表（空闲页面链表和已修改页面链表）之一。

⚫ 如果页面未被修改，就将其归入到空闲页面链表的末尾

访问内存的有效时间

• 访问页表、访问实际物理地址数据、缺页中断处理

• 被访问页在主存，且相应页表项在快表

EAT=λ+t

• 被访问页在主存，但相应页表项不在快表

EAT= λ+t+λ+t=2（ λ+t ）

• 被访问页不在主存

EAT= λ+t+ε+λ+t=ε+2（ λ+t ）

抖动

如果一个进程没有足够的页，那么缺页率将很高，这将导致:

➢CPU利用率低下.

➢操作系统认为需要增加多道程序设计的道数

➢系统中将加入一个新的进程

抖动(Thrashing) ：一个进程的页面经常换入换出

根本原因：

➢同时在系统中运行的进程太多；

➢因此分配给每一个进程的物理块太少，不能满足进程运行的基本要求，致使进程在运行时，频繁缺页，必须请求系统将所缺页面调入内存。

工作集定义

所谓工作集，指在某段时间间隔Δ里进程实际要访问页面的集合。

把某进程在时间t的工作集记为w(t，Δ),其中的变量Δ称为工作集的“窗口尺寸”。

◆ 工作集w(t，Δ)是二元函数，即在不同时间t的工作集大小不同，所含的页面数也不同；工作集与窗口尺寸Δ有关，是Δ的非降函数，即：

抖动的预防方法

01 采取局部置换策略：只能在分配给自己的内存空间内进行置换；

02 把工作集算法融入到处理机调度中；

03 利用“L=S”准则调节缺页率：

➢L是缺页之间的平均时间

➢S是平均缺页服务时间，即用于置换一个页面的时间

➢L>S，说明很少发生缺页

➢L<S，说明频繁缺页

➢L=S，磁盘和处理机都可达到最大利用率

04 选择暂停进程。

请求分段存储管理方式

1. 请求分页系统建立的虚拟存储器，是以页面为单位进行换入、换出操作的。

2. 在请求分段系统中实现的虚拟存储器，以分段为单位进行换入和换出。

3. 程序在运行之前，只需要装入必要的若干个分段即可运行。当访问的分段不在内存时，可由OS将所缺少的段调入内存

请求段表机制

◼ 存取方式：表示段存取属性为只执行、只读或允许读/写

◼ 访问字段A：记录该段在一段时间内被访问的次数

◼ 修改位M：标志该段调入内存后是否被修改过

◼ 存在位P：指示该段是否在内存

◼ 增补位：表示该段在运行过程中是否做过动态增长,在请求页式中没有该位

◼ 外存始址：指示该段在外存中的起始地址（盘块号）

缺段中断机构

◼ 在指令执行期间产生和处理中断信号

◼ 一条指令在执行期间，可能产生多次缺段中断

◼ 由于段不是定长的，对缺段中断的处理要比对缺页中断的处理复杂

地址变换机构

◼ 请求分段系统的地址变换机构，是在分段系统的地址变换机构基础上形成的。

◼ 由于分段可能不在内存，因此会引起缺段中断。先将需要的段调入内存，修

改段表，然后再利用段表进行地址变换。

分段保护

越界检查：

➢ 由地址变换机构来完成；

➢ 比较段号与段表长度；段内地址与段表长度。

存取控制检查：以段为基本单位进行。

➢ 通过“存取控制”字段决定段的访问方式；

➢ 基于硬件实现。

环保护机构：

➢ 低编号的环具有高优先权；

➢ 一个程序可以访问驻留在相同环或较低特权环（外环）中的数据；

➢ 一个程序可以调用驻留在相同环或较高特权环（内环）中的服务。